王春慧 蔣 婷

（中國航天員科研訓練中心）

1 引言

繼出艙活動任務之后，我國將突破交會對接技術作為載人航天二步一階段的重點任務。交會對接技術是一項十分復雜、難度很高的航天技術，是完成其他后續(xù)航天任務的關鍵步驟和先決條件。根據航天員和飛船自控系統(tǒng)參與程度的不同，交會對接包括自動控制和手動控制兩種。美國較多地應用手控方式，而俄羅斯則主要采用自控方式，但自控方式并不排斥手控方式，美、俄也在充分利用手控和自控相結合帶來的好處，并且不斷提高和改進手動控制系統(tǒng)，使之日臻完善。自20世紀60年代以來，美、俄主要航天大國已進行了200多次的空間交會對接活動，其中已應用手控交會對接技術完成了大量的空間站維修和組織、乘員的輪換、貨物的補給、衛(wèi)星的捕獲等一系列空間活動。

在手控交會對接中，由于人具有觀察、分析、判斷、決策和處理能力，手控交會對接任務中，航天員能夠對系統(tǒng)中出現的故障進行及時地判斷和決策，從而有效地提高任務的成功率。但是，航天員在手控交會對接任務中的工作負荷和心理壓力很大，首先，航天員在短時間內要對有限的觀察視景和大量參數信息進行搜索和加工，從而判斷兩航天器的相對位置和速度；其次，航天員要同時控制飛船，將兩航天器的相對位置及速度控制在要求的精度范圍內，從而保障對接機構能夠順利捕獲并完成對接；此外，還要受到任務實施時測控通信時間窗口和燃料消耗的約束條件限制。

為了有效保障手控交會對接任務的成功率，除了在選拔和訓練中提高航天員的觀察能力、情景意識、控制能力外，還應優(yōu)化顯示-控制系統(tǒng)人機界面設計，使之與航天員的能力相匹配，保證航天員高效、可靠地完成觀察和操作。

2 手控交會對接工效學研究內容

圖1 手控交會對接的人-顯示-控制系統(tǒng)

手控交會對接系統(tǒng)是一個典型的有人參與的人-顯示-控制系統(tǒng)，如圖1所示。手控交會對接過程中，航天員在飛船中，通過觀察顯示界面中的各種參數和圖像信息，來判斷飛船和目標航天器的相對位置和姿態(tài)關系，通過操作控制手柄來控制飛船的運動，從而實現兩個航天器的交會和對接。

人-顯示-控制系統(tǒng)中，顯示界面、控制系統(tǒng)與人的能力的匹配程度決定了系統(tǒng)的操作績效。因此，需要針對手控交會對接任務中的顯示-控制系統(tǒng)開展工效學實驗研究，探索針對整個人控回路績效評估的評價指標和方法。為手控交會對接任務中飛船的工程設計、程序安排、人員分工等方面提出工效學的設計要求，為顯示-控制系統(tǒng)評價提供有效的指標系統(tǒng)和方法。

2.1 顯示界面

在手控交會對接高工作負荷的情況下，航天員要在極短的時間內，完成信息的搜索、判讀、決策等一系列認知活動，因此，信息的顯示內容、方式及布局等方面是否符合航天員的認知習慣，直接影響到航天員判斷和決策的正確性。

（1）由于手控交會對接過程中，航天員需關注的信息量很大，必須對航天員所需的信息顯示內容及重要等級進行了分析，以降低航天員的腦力負荷。

（2）目標航天器靶標圖像信息是航天員進行手控交會對接最主要的觀察信息，需要對靶標圖像（靶標在圖像中呈現的尺寸、形狀、顏色和標志點等信息）及標尺信息的可判讀性開展相關研究。

（3）除了圖像信息外，航天員還需要觀察大量的數值信息，例如時間、燃料消耗、位移及姿態(tài)、速度等。因此，需要對數值信息的顯示方式、顯示精度、頁面布局等方面開展研究，以增強航天員的情景意識，降低工作負荷，縮短判斷和決策的時間。

2.2 控制系統(tǒng)

手控交會對接過程中航天員通過操作手柄來控制飛船實現兩個航天器的交會對接，航天員控制能力與飛船的控制特性的匹配性是決定航天員能否成功操控飛船完成交會對接任務的關鍵。

（1）航天員與飛船的操控界面是控制手柄，需要針對手柄的極性、控制方式等方面開展研究，使控制手柄的特性與航天員的認知及操作習慣一致，從而保障航天員以最快的反應速度對航天器實施操控。

（2）針對飛船的控制延時、姿態(tài)最大的控制量、自控轉手控交會對接初始偏差的邊界條件等方面開展研究，保證飛船的控制特性與航天員的控制能力相匹配，從而減少航天員的作業(yè)負荷。

2.3 人控回路的評價指標及方法

手控交會對接是有人參與的任務，整個過程是一個典型的人控回路，回路中人、顯示界面和控制系統(tǒng)相互匹配程度的高低決定了交會對接任務的完成績效。因此，有必要對整個人控回路的績效進行評估，針對手控交會對接，開展評價指標和評價方法的研究。

3 半物理仿真實驗平臺

為了研究上述手控交會對接工效學問題，構建了半物理的仿真實驗平臺，用以模擬最后150m的手控交會對接過程，并提供相對真實的手控交會對接人機界面。

該平臺建立了模擬座艙，在艙內安裝了座椅、儀表板、控制手柄，其外形、性能狀態(tài)及相對位置為真實狀態(tài)。交會對接動力學和顯示界面主要以仿真的方法建立，并使其具有一定的真實性。

此外，該實驗平臺為了滿足工效實驗研究的需求，其人機界面硬件和軟件的設計參數為可調節(jié)的，例如手柄的安裝位置、顯示界面中顯示內容、顯示方式、布局方式、布局位置、動力學參數、對接靶標、標尺、攝像機視場角、對接初始條件等。

4 手控交會對接實驗研究

針對手控交會對接工效學問題，在半物理仿真實驗平臺中，開展了參試者培訓、顯示界面方案、控制系統(tǒng)特性參數、評價指標和方法等近3500人次的手控交會對接實驗研究。

4.1 顯示界面的實驗研究

（1）針對信息顯示內容和重要性等級，在顯示界面中設計顯示各種數值信息，包括兩航天器軸向距離及速度、六個自由度的偏差、速度及加速度、控制時間、燃料消耗、視場狀態(tài)等，讓參試者通過觀察這些信息來完成交會對接操作。利用眼動跟蹤技術，通過參試者的眼動軌跡和注視時間等指標來分析受試者在不同階段對數值信息的關注程度，并在實驗后收集參試者的主觀感受；

（2）針對目標航天器靶標圖像及標尺的可讀性，設計了實驗方案和對照方案，如圖2所示。對兩組方案中的十字架的長度、底盤刻度設計、刻度與底盤邊緣間隔、標尺刻度等級、粗細及顏色等方面進行比對分析。通過對參試者的主觀感受和兩組方案的操作精度和績效進行差異性分析，比較兩組方案的優(yōu)劣；

圖2 靶標及標尺實驗方案

（3）針對圖形化信息顯示方式，采用兩個象形物來分別表示位移和姿態(tài)的控制偏差，根據六個自由度的坐標軸的布局設計了分離式和組合式兩種圖形化顯示方案，如圖3所示。通過參試者主觀感受、操作精度和績效來分析方案及各要素的優(yōu)劣。

圖3 圖形顯示形式方案

4.2 控制系統(tǒng)的實驗研究

控制系統(tǒng)相關研究內容主要是摸索控制系統(tǒng)特性參數中，與人的控制能力相匹配的邊界值。

（1）針對控制手柄的極性，分別針對上下、左右、俯仰和偏航四個自由度的操作極性，設計了共五種手柄極性的狀態(tài)。通過對這五種狀態(tài)下參試者操作精度和績效進行差異性分析，來確定操作精度和績效最優(yōu)的極性狀態(tài)。

（2）針對控制系統(tǒng)延時，對系統(tǒng)延時參數設置了0s、1s和2s三個水平。通過操作精度及績效來分析不同水平的系統(tǒng)延時對參試者操作的影響程度，并與參試者的主觀感受相比較。

（3）針對姿態(tài)控制最大角速度，對字體控制最大角速度參數設置了 0.3°/s、0.5°/s和 0.6°/s三個水平。

（4）針對自控轉手控交會對接初始條件，分別在100m、50m、30m和20m的軸向距離上，設置初始邊界為位移偏差8m、姿態(tài)偏差10°，軸向初始速度分別為0.3m/s和0.5m/s。

4.4 評價指標及方法的實驗研究

評價指標和評價方法是通過對不同實驗狀態(tài)下績效指標的變化規(guī)律、相關性等特性的分析，對績效指標（包括成功率、控制時間、燃料消耗、累計偏差、平均偏差、平均速度、最大速度和進入對接準入條件的距離等）進行篩選，確定敏感指標。根據客觀績效指標的內在規(guī)律摸索和確定賦權方法并建立評價模型。

為了對指標體系和模型進行驗證，設計了驗證實驗：正常手控交會對接任務的實驗狀態(tài)和添加了副作業(yè)的實驗狀態(tài)的比對實驗，用于驗證指標體系和評價模型的效度和信度。

5 研究結果

通過實驗數據的分析，得到以下研究結果：

5.1 信息顯示的研究結果

通過對顯示信息內容、圖形化信息顯示形式和靶標圖像信息的實驗研究，可以得出：

（1）信息顯示內容及重要性等級實驗中主觀問卷和眼動分析指標的數據表明：受試者在手控交會對接不同階段關注的信息不同，同一階段對不同信息的關注程度也是不一樣的，其中兩航天器的軸向距離和速度最重要，其次為兩航天器六個自由度的相對偏差和速度、控制時間及燃料消耗等信息。因此，工程設計中應盡可能將兩航天器的軸向距離和速度信息呈現給航天員。

（2）靶標圖像及標尺的實驗數據表明：對照方案優(yōu)于實驗方案，其中，靶標十字架的長度不宜過長，以便在近距離能夠辨識十字架和底盤刻度線；靶標底盤刻度線與底盤邊緣應保留一定的空隙，方便受試者盡早的辨識靶標；標尺在不同視場下應有明顯區(qū)分，標尺刻度線應能輔助受試者對軸向距離判讀。根據對各個要素的分析，提出了較優(yōu)的靶標圖像和標尺設計方案，如圖4所示。

（3）圖形化信息顯示形式的實驗數據表明：圖形化信息顯示方式能夠顯著提高受試者的判讀速度和操作精度，其中組合式的設計方案優(yōu)于分離式。根據圖形化信息顯示方案中象形物、標尺和提示框等顯示要素的分析，設計提出了較優(yōu)的圖形頁面設計方案，如圖5所示。

圖4 靶標底盤及標尺設計方案

圖5 圖形顯示頁面設計方案

5.2 控制系統(tǒng)的研究結果

通過對控制手柄極性、系統(tǒng)控制延遲、系統(tǒng)控制增益等實驗研究，得出了以下的主要研究結果：

（1）手控極性實驗的數據表明，不同手柄極性的操作績效有顯著差異，其中，平移手柄與飛船運動方向一致，而姿態(tài)手柄與飛船運動方向相反,該極性基于杠桿原理，比較符合人的認知和操作控制習慣,績效最好。

（2）控制系統(tǒng)延時實驗的數據表明，控制延時2s與1s和0s相比，成功率和操作績效呈顯著下降，受試者的主觀感受也表明2s的控制延時不可控。

（3）姿態(tài)控制最大角速度實驗的數據表明，在姿態(tài)采用速度控制的方式下，姿態(tài)控制最大角速度對航天員手控交會對接有影響。在0.3°/s-0.6°/s的姿態(tài)控制最大角速度范圍內，隨著姿態(tài)控制最大角速度的增大，成功率和操作績效呈上升趨勢。0.3°/s與0.5°/s、0.6°/s相比績效有顯著差異，但 0.5°/s和 0.6°/s間績效無顯著性差異。

（4）自控轉手控初始條件的實驗數據表明，隨著兩航天器軸向距離的減小和初始速度的增大，受試者的操控績效呈顯著性下降。因此，工程設計中，應盡量在兩航天器軸向距離較遠、相對速度較小并保證目標航天器在可視范圍的情況下實施自控轉手控。

5.3 評價指標和評價方法的研究結果

通過手控交會對接綜合績效指標理論研究和對手控交會對接實驗的數據挖掘，得到了以下的主要研究結果：

（1）實驗數據表明，手控交會對接的績效指標有明顯的階段性特征，依據此特征可將整個手控交會對接過程劃分為遠距離的追蹤控制段（100m～20m）、近距離的精確控制段（20m～0m）和對接時刻（0m），三階段內的績效指標的敏感程度不同，例如受試者在遠距離的情況下主要以通過帆板控制滾轉偏差為主，因此，滾動偏差指標在追蹤控制段敏感，在精確控制段不敏感；

（2）依據手控交會對接的三階段，建立了績效指標系統(tǒng)，包含三個層面的指標：交會對接過程控制指標、對接結果指標對和時刻精度指標，分別反映了交會對接過程以及結果的優(yōu)劣程度；

（3）通過對實驗數據的分析，對接過程的指標具有一定的相關性，根據該相關性利用因子分析的方法來對指標賦權重；對接精度指標中，指標與各自由度控制的難易程度具有一定的對應關系，根據數據中指標反映的差異程度，采用了熵值法來賦權重。該模型利用客觀指標的規(guī)律和特性來賦權重，克服了傳統(tǒng)專家打分評價方法的主觀性和不穩(wěn)定性，驗證實驗數據也表明，該評價方法能夠可靠、有效的對手控交會對接任務顯示-控制系統(tǒng)的操作綜合績效進行評估。

6 總結

手控交會對接是交會對接技術的重要組成部分，是典型的有人參與的人控回路系統(tǒng)，該系統(tǒng)中顯示界面和控制系統(tǒng)的優(yōu)劣決定了整個手控交會對接任務的成敗。借助半物理的仿真實驗平臺，針對手控交會對接過程中與人相關因素，通過大量的實驗研究得出了一定的研究結果，為手控交會對接顯示-控制系統(tǒng)的工程設計提供了參考，為手控交會對接的工效學的要求和評價提供了數據支撐和方法。

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